一種零熱透鏡效應(yīng)的高功率激活反射鏡的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種零熱透鏡效應(yīng)的高功率激活反射鏡，包括：多組均勻設(shè)有開孔的轉(zhuǎn)盤(3)，繞中心的轉(zhuǎn)軸(9)旋轉(zhuǎn)，設(shè)置在開孔內(nèi)，放置激光增益介質(zhì)(2)的多孔玻璃或陶瓷(4)，與激光增益介質(zhì)(2)連接的泵浦源(1)，封裝在轉(zhuǎn)盤(3)外表面的碳化硅圓板(6)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明大大降低了高功率激光工作時(shí)的熱透鏡效應(yīng)，可以獲得光束質(zhì)量更好的高功率激光，該激活反射鏡通常用于放大不同頻率的脈沖光，因而可以獲得高能量的脈沖。
【專利說明】一種零熱透鏡效應(yīng)的高功率激活反射鏡

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及固體激光器領(lǐng)域，尤其是涉及一種零熱透鏡效應(yīng)的高功率激活反射鏡。

【背景技術(shù)】
[0002]近些年來，固體激光取得了快速發(fā)展。輸出功率，光學(xué)轉(zhuǎn)換效率以及光束質(zhì)量都有很大提高。但是，熱效應(yīng)在一定程度上阻礙了高功率激光器的發(fā)展。固體激光器可以獲得很高的輸出功率，但是光束質(zhì)量不好。光纖激光器的光束質(zhì)量很好，但是單根光纖的輸出能量只是在毫焦數(shù)量級。依據(jù)激光增益介質(zhì)形狀的不同，大致可以分為桿狀(或光纖)激光，薄片激光和板條激光。雖然形狀有所差異，但是基本原理都差不多。在激光增益介質(zhì)被泵浦的時(shí)候，由于增益介質(zhì)中存在量子缺陷，介質(zhì)中會(huì)產(chǎn)生熱量。這些熱量以熱傳導(dǎo)，熱對流或熱輻射的方式從增益介質(zhì)的表面?zhèn)鬏斨林車h(huán)境中。由于熱流的存在，會(huì)產(chǎn)生溫度梯度。溫度梯度會(huì)導(dǎo)致一系列有關(guān)的熱效應(yīng)，比如熱透鏡效應(yīng)，熱壓產(chǎn)生的雙折射，熱形變等。熱效應(yīng)的存在，會(huì)改變激光光波的波前，從而降低光束質(zhì)量和光學(xué)轉(zhuǎn)換效率。不論我們選取哪種增益介質(zhì)，熱效應(yīng)產(chǎn)生的光波波前畸變是無法避免，只能盡可能降低。
[0003]中國專利CN104051940A公開了氣冷高平均功率復(fù)合式激活反射鏡結(jié)構(gòu)激光放大器，包括M個(gè)交錯(cuò)相對平行排布的結(jié)構(gòu)相同的雙放大模塊，每個(gè)雙放大模塊由矩形框、N塊復(fù)合式片狀增益介質(zhì)、氦氣、激光二極管陣列，N塊復(fù)合式片狀增益介質(zhì)具有不同的摻雜濃度和長度，由短到長自矩形框的直邊向外同軸依次排布在矩形框內(nèi)，各塊增益介質(zhì)長度L和摻雜濃度t的乘積相等，矩形框的上斜框和下斜框均有流體循環(huán)通道，該流體循環(huán)通道與所述的N塊增益介質(zhì)相對應(yīng)的間隔處均設(shè)有冷卻循環(huán)孔，供氦氣在增益介質(zhì)之間流通。由于該專利中的每個(gè)模塊里平行放置的增益介質(zhì)大小不一，容易產(chǎn)生泵浦不均勻，從而無法有效地提取能量。而且在放置增益介質(zhì)的時(shí)候沒有考慮外力的影響，增益介質(zhì)邊沿和矩形框接觸的地方產(chǎn)生的壓力以及增益介質(zhì)的重力會(huì)導(dǎo)致激光波前的畸變。另外，冷卻路徑過長使得對增益介質(zhì)的冷卻不均勻，產(chǎn)生橫向的溫度梯度和增益介質(zhì)前后面的縱向溫度差。橫向溫度梯度會(huì)導(dǎo)致熱透鏡效應(yīng)，縱向溫度差會(huì)使得增益介質(zhì)發(fā)生熱形變。而本專利中每個(gè)模塊使用的是很薄的單片圓形增益介質(zhì)，不會(huì)產(chǎn)生泵浦不均勻。增益介質(zhì)邊緣用環(huán)形柔軟材料包住，可消除外力。周期性地均勻泵浦和雙面均勻冷卻可以消除橫向溫度梯度和縱向溫度差，并且能夠充分提取泵浦能量，從而獲得光束質(zhì)量更好的高功率激光輸出。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種能夠獲得高能量脈沖、降低高功率激光工作時(shí)熱透鏡效應(yīng)的零熱透鏡效應(yīng)的高功率激活反射鏡。
[0005]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0006]一種零熱透鏡效應(yīng)的高功率激活反射鏡，包括:
[0007]均勻設(shè)有開孔的轉(zhuǎn)盤，繞中心的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，
[0008]設(shè)置在開孔內(nèi)，放置激光增益介質(zhì)的多孔玻璃或陶瓷，
[0009]與激光增益介質(zhì)連接的泵浦源，
[0010]封裝在轉(zhuǎn)盤外表面的碳化娃圓板。
[0011]所述的泵浦源為均勻泵浦的連續(xù)激光二極管，防止激光增益介質(zhì)由于橫向溫度梯度所產(chǎn)生的熱透鏡效應(yīng)。泵浦源在水冷板上冷卻，溫度控制在20°c，采用側(cè)面泵浦，從二極管中出來的光垂直泵浦激光增益介質(zhì)。
[0012]泵浦源選用的波長依據(jù)所選激光增益介質(zhì)而定。如果是摻雜銩的三價(jià)陽離子介質(zhì)，一般選擇793納米的激光二極管。如果是摻雜鐿的三價(jià)陽離子，一般選擇940納米的激光二極管。泵浦源的功率連續(xù)可調(diào)。
[0013]所述的激光增益介質(zhì)為圓形薄片增益介質(zhì)，對泵浦光波長具有高吸收率，激光增益介質(zhì)的背面鍍有對泵浦光波長具有高反射率的薄膜，激光增益介質(zhì)的厚度在0.5毫米左右，直徑為2厘米左右，重力可以忽略不計(jì)。
[0014]所述的轉(zhuǎn)盤直徑為120毫米，厚度為0.5毫米。轉(zhuǎn)盤上打了若干個(gè)半徑為1.1厘米的小孔，用來放置增益介質(zhì)和多孔環(huán)狀玻璃或陶瓷，轉(zhuǎn)盤垂直放置。
[0015]所述的多孔玻璃或陶瓷，為環(huán)狀柔軟的材料，套住激光增益介質(zhì)并嵌入轉(zhuǎn)盤上的開孔中，內(nèi)半徑為I厘米，外半徑為1.1厘米，厚度為0.5毫米，用來套住圓形薄片并嵌入轉(zhuǎn)盤上半徑為1.1厘米的小孔中，這樣增益介質(zhì)所受的外力為零，防止激光增益介質(zhì)的形變帶來光波前畸變。
[0016]所述的多孔玻璃或陶瓷還填充有均勻冷卻激光增益介質(zhì)的氦氣。
[0017]所述的轉(zhuǎn)軸連接驅(qū)動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤周期性轉(zhuǎn)動(dòng)，通過改變轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)動(dòng)周期放大不同頻率的脈沖激光。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明大大降低了高功率激光工作時(shí)的熱透鏡效應(yīng)，可以獲得光束質(zhì)量更好的高功率激光，該激活反射鏡通常用于放大不同頻率的脈沖光，因而可以獲得高能量的脈沖。本申請中激光增益介質(zhì)的橫向溫度梯度會(huì)產(chǎn)生折射率的變化，從而產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)。熱透鏡效應(yīng)會(huì)將激光聚焦成一個(gè)點(diǎn)，對增益介質(zhì)產(chǎn)生損害。所以在激光實(shí)驗(yàn)中，尤其是高功率激光實(shí)驗(yàn)中，熱透鏡效應(yīng)必須設(shè)法降低甚至消除。本專利能夠很好地解決上述的熱透鏡效應(yīng)問題。通過對增益介質(zhì)周期性地均勻泵浦和雙面均勻冷卻，使得增益介質(zhì)的橫向溫度梯度近似零，從而熱透鏡效應(yīng)也幾乎為零。同時(shí)為了消除壓力對光束質(zhì)量產(chǎn)生的影響，選用了重力可以忽略不計(jì)的圓形薄片增益介質(zhì)以及用來消除增益介質(zhì)邊沿壓力的柔軟的多孔材料。零熱透鏡效應(yīng)和零外力使得該激光器能夠獲得光束質(zhì)量更好的高功率，高脈沖能量激光輸出。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為轉(zhuǎn)盤上單個(gè)小孔的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖3為單個(gè)轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0023]實(shí)施例
[0024]一種零熱透鏡效應(yīng)的高功率激活反射鏡，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括泵浦源1，圓形薄片(厚度為0.5毫米左右)激光增益介質(zhì)2，放置激光增益介質(zhì)2的轉(zhuǎn)盤3，柔軟的多孔玻璃或陶瓷4，碳化硅圓板6，轉(zhuǎn)軸9等。從信號(hào)源8中出來的脈沖信號(hào)光，在X-Z平面內(nèi)以一定的入射角傳輸，通過激光增益介質(zhì)2的多次反射和放大，最后實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出。
[0025]泵浦源I為均勻泵浦的連續(xù)激光二極管，防止激光增益介質(zhì)由于橫向溫度梯度所產(chǎn)生的熱透鏡效應(yīng)。泵浦源在水冷板上冷卻，溫度控制在20°C，采用側(cè)面泵浦，從二極管中出來的光垂直泵浦激光增益介質(zhì)2。選用的波長依據(jù)所選的激光增益介質(zhì)2而定。如果是摻雜銩的三價(jià)陽離子介質(zhì)，一般選擇793納米的激光二極管。如果是摻雜鐿的三價(jià)陽離子，一般選擇940納米的激光二極管。泵浦源I的功率連續(xù)可調(diào)。信號(hào)源8是脈沖光，脈寬為幾個(gè)納秒。該激活反射鏡正常工作的時(shí)候，信號(hào)光以一定的入射角，入射第一個(gè)轉(zhuǎn)盤。泵浦光則是側(cè)面泵浦，比端面泵浦的結(jié)構(gòu)簡單，而且轉(zhuǎn)換效率更高。通過驅(qū)動(dòng)機(jī)7可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)周期，進(jìn)而可以放大不同頻率的脈沖光。由于該結(jié)構(gòu)由多個(gè)轉(zhuǎn)盤組成，入射的脈沖光經(jīng)轉(zhuǎn)盤的一級一級地不斷放大和反射，最后輸出為高能量脈沖。
[0026]采用的激光增益介質(zhì)2為圓形薄片增益介質(zhì)，對泵浦光波長具有高吸收率，激光增益介質(zhì)2的背面鍍有對泵浦光波長具有高反射率的薄膜，激光增益介質(zhì)2的厚度在0.5毫米左右，直徑為2厘米左右，重力可以忽略不計(jì)。轉(zhuǎn)盤3的直徑為120毫米，厚度為0.5毫米。在轉(zhuǎn)盤3上打了若干個(gè)半徑為1.1厘米的小孔，用來放置激光增益介質(zhì)2和多孔環(huán)狀玻璃或陶瓷4，轉(zhuǎn)盤3垂直放置。
[0027]多孔玻璃或陶瓷4為環(huán)狀柔軟的材料，套住激光增益介質(zhì)2并嵌入轉(zhuǎn)盤3上的開孔中，內(nèi)半徑為I厘米，外半徑為1.1厘米，厚度為0.5毫米，用來套住圓形薄片并嵌入轉(zhuǎn)盤上半徑為1.1厘米的小孔中，這樣激光增益介質(zhì)2所受的外力為零，防止激光增益介質(zhì)2的形變帶來光波前畸變。除此之外，多孔玻璃或陶瓷4內(nèi)還填充有均勻冷卻激光增益介質(zhì)2的氦氣5。轉(zhuǎn)軸9連接驅(qū)動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤3周期性轉(zhuǎn)動(dòng)，通過改變轉(zhuǎn)盤3的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)動(dòng)周期放大不同頻率的脈沖激光。
[0028]圖2是轉(zhuǎn)盤上單個(gè)小孔的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖中可以看出，圓形薄片狀的激光增益介質(zhì)2由環(huán)狀的多孔玻璃或陶瓷4包住，嵌于轉(zhuǎn)盤3上開設(shè)的小孔中。
[0029]圖3是單個(gè)轉(zhuǎn)盤激光器的結(jié)構(gòu)圖。在轉(zhuǎn)盤3上有很多圓片狀的激光增益介質(zhì)2。柔軟的環(huán)狀材料用來消除圓片所受的外力。由于轉(zhuǎn)盤3豎直放置，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，較冷的氦氣(He)在下方，此區(qū)域?yàn)槔鋮s區(qū)。轉(zhuǎn)盤的上方為泵浦區(qū)域。當(dāng)泵浦脈沖和信號(hào)脈沖打過來時(shí)，最上方的一個(gè)圓片處于工作模式，對脈沖光進(jìn)行放大。當(dāng)脈沖通過圓片時(shí)，旁邊的一個(gè)圓片轉(zhuǎn)到該工作位置，準(zhǔn)備放大下一個(gè)脈沖。而先前的圓片則經(jīng)過一段時(shí)間的均勻冷卻之后，恢復(fù)泵浦之前的狀態(tài)。如此循環(huán)往復(fù)。
【權(quán)利要求】
1.一種零熱透鏡效應(yīng)的高功率激活反射鏡，其特征在于，包括: 多組均勻設(shè)有開孔的轉(zhuǎn)盤(3)，繞中心的轉(zhuǎn)軸(9)旋轉(zhuǎn)， 設(shè)置在開孔內(nèi)，放置激光增益介質(zhì)(2)的多孔玻璃或陶瓷(4)， 與激光增益介質(zhì)(2)連接的泵浦源(1)， 封裝在轉(zhuǎn)盤(3)外表面的碳化娃圓板(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種零熱透鏡效應(yīng)的高功率激活反射鏡，其特征在于，所述的泵浦源(I)為均勻泵浦的連續(xù)激光二極管，防止激光增益介質(zhì)(2)由于橫向溫度梯度所產(chǎn)生的熱透鏡效應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種零熱透鏡效應(yīng)的高功率激活反射鏡，其特征在于，所述的泵浦源⑴在水冷板上冷卻，溫度控制在20°C，采用側(cè)面泵浦，從二極管中出來的光垂直泵浦激光增益介質(zhì)(2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種零熱透鏡效應(yīng)的高功率激活反射鏡，其特征在于，所述的激光增益介質(zhì)(2)為圓形薄片增益介質(zhì)，對泵浦光波長具有高吸收率，激光增益介質(zhì)(2)的背面鍍有對泵浦光波長具有高反射率的薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種零熱透鏡效應(yīng)的高功率激活反射鏡，其特征在于，所述的轉(zhuǎn)盤(3)垂直放置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種零熱透鏡效應(yīng)的高功率激活反射鏡，其特征在于，所述的多孔玻璃或陶瓷(4)，為環(huán)狀柔軟的材料，套住激光增益介質(zhì)(2)并嵌入轉(zhuǎn)盤(3)上的開孔中，防止激光增益介質(zhì)(2)的形變帶來光波前畸變。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種零熱透鏡效應(yīng)的高功率激活反射鏡，其特征在于，所述的多孔玻璃或陶瓷(4)還填充有均勻冷卻激光增益介質(zhì)(2)的氦氣。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種零熱透鏡效應(yīng)的高功率激活反射鏡，其特征在于，所述的轉(zhuǎn)軸(9)連接驅(qū)動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(3)周期性轉(zhuǎn)動(dòng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種零熱透鏡效應(yīng)的高功率激活反射鏡，其特征在于，改變轉(zhuǎn)盤(3)的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)動(dòng)周期放大不同頻率的脈沖激光。
【文檔編號(hào)】H01S3/042GK104362502SQ201410648387
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】徐劍秋, 周延, 張帥一 申請人:上海交通大學(xué)